Dans la torsion et le retournement de longues molécules organiques, Les chercheurs du National Renewable Energy Laboratory (NREL) ont trouvé un groupe prometteur de matériaux pour les cellules solaires super-efficaces de demain.

Dans un nouvel article de Nature Chemistry, Les chercheurs du NREL ont démontré comment une molécule soigneusement conçue peut diviser efficacement l'énergie transmise par un photon en deux états excités et les maintenir séparés pendant plusieurs microsecondes, une longue période à l'échelle moléculaire. Les trois auteurs—Nadia Korovina, Chris Chang, et Justin Johnson—ont tiré parti de leur expertise diversifiée en chimie et en modélisation informatique pour concevoir cette nouvelle molécule et apprendre comment elle fonctionne.

Lorsqu'un photon frappe un matériau semi-conducteur approprié, il crée un exciton, un état d'énergie excité. Dans certaines molécules organiques, l'exciton peut se diviser, formant deux excitons triplés. Ce processus de "fission singulet" pourrait potentiellement être utilisé pour extraire plus d'énergie de chaque photon absorbé que dans une cellule solaire traditionnelle. Cependant, si ces deux triplés se rencontrent, ils se recombineront et cesseront d'exister. En outre, le processus par lequel un singulet se divise en deux triplets stables peut souvent perdre de l'énergie à cause de la chaleur.

Une molécule photovoltaïque organique idéale résoudrait ces deux problèmes, ce qui signifie qu'elle convertit efficacement les excitons singulets en triplets sans perte de chaleur et maintient ces triplets séparés afin qu'ils ne puissent pas se recombiner. Plutôt que de rechercher une telle molécule, l'équipe NREL a décidé de concevoir le leur. En s'appuyant sur des recherches antérieures, l'équipe savait en général quels types de molécules organiques étaient prometteurs. Mais ils devaient déterminer exactement combien de temps et de complexité ces molécules devraient être pour empêcher la recombinaison de triplet.

Avec cet objectif en tête, Korovina a synthétisé une série de molécules de longueur variable, tous construits à partir de chaînes de chromophores, des blocs de construction moléculaires absorbant la lumière.

"La partie la plus difficile a été de concevoir des molécules dans lesquelles l'équilibre fin des énergies singulet et triplet a été atteint, " a déclaré Korovina. " Après environ un an d'essais et d'erreurs, nous avions les bonnes molécules à partir desquelles nous avons pu apprendre les subtilités du processus de fission singulet."

Après avoir soigneusement trié ces molécules par taille, l'équipe a découvert qu'une chaîne d'au moins trois chromophores est nécessaire pour isoler avec succès deux excitons triplés.

Pour comprendre exactement comment la chaîne de chromophores isolait les deux triplets, Johnson et Korovina se sont tournés vers Chang, un informaticien avec une formation en biochimie. "Je vois le mannequinat comme une aide à répondre à deux grandes questions, " Chang a dit. "Comment cela fonctionne-t-il sur la base de principes sous-jacents ? Et à quoi ça ressemble quand c'est le cas ?"

En créant puis en affinant un modèle de la façon dont les molécules se déplacent et interagissent, l'équipe a découvert qu'un mouvement de torsion donne aux molécules les caractéristiques nécessaires pour isoler les triplets. La chaîne moléculaire est généralement souple et flexible lorsqu'elle n'est pas sous éclairage; mais quand il absorbe un photon, la chaîne se tord autour de son axe central et se raidit initialement, résultant en une forme qui facilite la formation de deux triplets. La torsion ultérieure qui se produit après la fin du processus initial aide à séparer spatialement les deux triplets, allongeant leur durée de vie.

En combinant des approches expérimentales et de modélisation, l'équipe a non seulement pu développer une molécule absorbante d'énergie prometteuse, mais aussi pour expliquer sa fonction en détail. Maintenant que le mécanisme fondamental est bien compris, le développement futur et l'utilisation de molécules similaires dans des cellules solaires à haut rendement ou d'autres systèmes photoélectrochimiques devraient être plus faciles.

"De nouvelles découvertes comme celle-ci sont possibles sans croisement de disciplines, " Johnson a dit, "mais combiner l'expertise comme nous l'avons fait peut avoir un impact beaucoup plus important."